膜材料與膜過程廣泛應用于環境、化工、能源、醫藥等領域。傳統的膜分離過程是由化學勢差驅動的傳質過程。通過在膜材料中引入獨特的非對稱性，使其在不同方向上表現出差異化的傳質行為，從而促進特定方向的物質傳輸，這相當于在材料內部構建了一種“內在驅動力”。 這種具有兩面相反性質的分離膜材料被稱為“Janus膜”。 自十余年前該概念首次提出以來，Janus膜受到了各領域研究者的廣泛關注，其獨特的非對稱性使其在特定應用中展現出優于均質分離膜的性能，這種優勢可被稱為“Janus優越性”。 雖然目前已有許多綜述論文詳細介紹了Janus膜的制備方法與應用，但尚未深入探討不同應用中Janus膜展現出性能優勢的共性科學原理，一定程度上限制了Janus結構在更廣泛領域中的發展與應用潛力。 浙江大學徐志康、楊皓程團隊與美國阿貢國家實驗室Seth Darling博士合作，對膜材料與器件中“Janus優越性”概念進行了全面分析，深入闡釋了其背后的物理化學原理，為應對該領域未來的機遇與挑戰提供了重要的理論基礎和指導。值得關注的是，該團隊于2016年以Minireview形式在Angew. Chem. Int. Ed.上發表了該領域首篇綜述論文。歷經十年研究，該領域取得了顯著進展，許多關鍵問題得以解決，相關解答與進展均在本次發表的綜述中詳細呈現。 該綜述從材料基礎出發，首先介紹了Janus膜不同制備方法的設計思路與基本原理，重點闡述了利用界面與物理梯度引入非對稱性的策略，并討論了基于不同原理的膜結構調控方法。在此基礎上，綜述比較了不同制備方法的優缺點，并分析了其規模化制備的潛力。隨后，綜述聚焦于Janus膜相較于均質分離膜性能優越性背后的物理化學機制，包括不同表面浸潤性導致的表面流體熱力學狀態差異、流體在不同性質孔道中的傳質差異，以及納米尺度下不同浸潤性通道的熱力學效應。
圖1 Janus膜在相傳遞過程中的優越性 圖2 Janus膜在相間傳質過程中的優越性
圖3 Janus膜器件在宏觀分離系統中的優越性 隨后，綜述闡述了Janus優越性在不同傳質過程中的體現。在相轉移過程中，如一相在另一相中的分散，Janus結構能夠降低分散過程中膜內的能量損耗；而在分散相的聚并過程中，Janus結構則能夠促進過程的持續進行。在相間分子傳遞過程中，Janus結構在不同尺度下發揮不同作用，例如縮短傳質距離、穩定兩相界面等。值得注意的是，納米/亞納米尺度下Janus結構對傳質過程的強化是未來研究的重要方向。綜述還特別介紹了Janus優越性在宏觀分離系統中的應用，例如由兩張性能相反的分離膜組成的Janus雙膜狹縫及其在油水乳液同步分離回收中的應用。最后，綜述展望了Janus膜未來在可控制備、性能優化及應用拓展方面的機遇與挑戰。 論文信息 Janus Superiority of Membranes in Chemical Engineering and Beyond Prof. Hao-Cheng Yang, Yi-Zhou Chen, Kai Li, Xin-Yu Guo, Qi-Rui Jiang, Dr. Seth B. Darling, Prof. Zhi-Kang Xu Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202509503
